DE1525475A1 - Rohrverbindungsstueck - Google Patents

Description

• Rohrverbindungsstück Die Erfindung betrifft ein Rohrverbindungsstück für vakuumdichte Verbindungen zwischen Rohren aus Aluminium und Rohren aus austenitischem Stahl, zusammengesetzt aus einem Aluminiumrohrstück und einem aus austenitischem Stahl bestehenden Stahlrohrstück, wobei das eine, äußere Rohrstück das andere, innere Rohrstück teilweise umfaßt und mit diesem fest verbünden ist.
• Es ist bekannt, daß die Herstellung einer dichten, insbesondere vakuumdichten, Verbindung zwischen Rohren aus Aluminium und solchen aus austenitischem Stahl, beispielsweise aus 18/8 CrNi-Stahl, auf vielen Anwendungsgebieten erhebliche Schwie:.gkeiten bereitet. In einem gewissen Temperaturbereich ist es zwar möglich, eine solche Verbindung als Flansch-oder Schraubverbindung mit Gummi- oder Kunststoffdichtung auzzuführen, doch .versagt diese Verbindungsart vollstE:adig bei extremen Temperaturverhältnissen. Direkte Schweißverbindungen sind bei diesen Werkstoffen bekanntlich überhaupt nicht möglich.
• Auf bestimmten technischen Gebieten jedoch sind derartige Verbindungen aus vielerlei Gründen erwünscht und in manchen Fällen sogar unbedingt erforderlich. Ein Beispiel hierfür ist die Tieftemperaturtechnik, bei der die beiden Werkstoffe Aluminium und austenitischer Stahl wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften bei tiefen Temperaturen eine entscheidende Rolle spielen. Ein Flüssiggastank für tiefsiedende Gase beispielsweise, der aus einem Innenbehälter und einem Außenbehälter besGeht, besitzt zwischen diesen beiden Behältern einen evakuierten Zwischenraum, der eine Isolierschicht enthält. Die Rohrleitungen, die vom Innenbehälter durch den evakuierten Zwischenraum nach außen führen und eine möglichst kleine Wärmeleitfähigkeit besitzen sollen, werden üblicherweise aus austenitischem Stahl hergestellt. Solange der Innenbehälter ebenfalls aus austenitischem Stahl besteht, können die Rohrleitungen einfach durch Schweißverbindungen mit den Rohrstutzen des Innenbehälters verbunden werden. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es jedoch oft erwünscht, den Innenbehälter aus Aluminium herzustellen. In diesem Falle ergibt sich die Schwierigkeit einer, bei den in dem unter Vakuum stehenden Zwischenraum herrschenden Temperaturen dichten Verbindung zwiaehen Aluminiumrohren, beispielsweise den Rohrstutzen des Innenbehälters, und den, wegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit unerläßlichen, Rohren aus austenitischem Stahl.
• Es sind Rohrverbindungsstücke bekannt geworden, die aus einem Aluminiumrohrstück und einem Rohrstück aus austenitisehem Stahl zusammengesetzt sind und demzufolge an ihrem einen Ende mit einem Aluminiumrohr und an ihrem anderen Ende mit einem Rohr aus austenitischem Stahl verschweißt werden kön- nen. Daseine der beiden Rohrstücke weist hierbei eine abge- stufte Innenbohrung auf, in die eine ringförmige Erweiterung des anderen Rohrstückes eingeschoben ist, Hinter dieser Erwei- terung wird ein Ring mit abgestufter Innenbohrung aus dem Werk- stoff des ersten Rohrstückes geschoben, welcher dann die ring- förmige Erweiterung des zweiten Rohrstückes umschließt und@mit dem ersten Rohrstück verschweißt werden kann, Derartige, miteinander verzahnte und durch mögliche Sehweiß- oder Lötverbindungen abgedichtete Rohrverbindungsstücke sind zwar für bestimmte Anwendungsgebiete durchaus brauchbar, sie haben jedoch durchweg den Nachteil einer geringen mechani- schen Beanspruchbarkeit. Es hat sich häufig gezeigt, daB solche Rohrverbindungen schon bei verhältnismäßig geringen Belastungen des Rohres ohne äußerlich sichtbare Beschädigungen undicht werden. Darüberhinaus sind solche Rohrverbindungsstücke auf Grund ihrer komplizierten Balzweise in der Herstellung teuer und demzufolge ihre Verwendung unwirtschaftlich, Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein aus einem Aluminiumrohr-stück und einem aus austenitischem Stahl bestehenden Stahlrohrstück zusammengesetztes Rohrverbindungsstück zu entwickeln, das auch unter starken mechanischen Belastungen vakuumdicht und gleichzeitig im Aufbau einfach und damit in der Herstellung billig ist, Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das-eine" äußere Rohrstück mit dem. anderen, inneren Rohrstück durch die Kombination einer Schraubverbindung mit einer Auftragsschweißung an der äußeren Übergangsstelle der beiden Hohrstücke verbunden fiste Durch die erfindungsgemäße Kombination einer Schraubverbindung mit einer Auf'tra&wschweißung wird eine vakuumdichte, mechanisch hoch beanspruchbare Rohrverbindung zwischen Aluminiumrohren und solchen aus austenitischem Stahl in einfacher Weise mögliche Hierbei ist es von besonderer Bedeutung, daß gerade die vollständige Abkehr von der technischen Entwicklungstendenz zu komplizierten Rohrverbindungsstücken durch die Rückkehr zu einfachen Schraubverbindungen zu dem erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstück führte Eine besondere Rolle spielt dabei der erfinderische Gedanke, daß bekanntlich schon die mechanisch hoch-beanspruchbare Schraubverbindung allein eine weitgehende Abdichtung bewirkt und lediglich die Spaltverluste der Gewindegänge, die eine Anwendung einer Schraubverbindung für vakuum-dichte Verbindungen bisher als nicht möglich erscheinen ließen, durch eine Auftragssehweißung abgefangen werden.
• Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieses Erfindungegedankens ist ein Rohrverbindungsstück, dessen äußerer Durchmesser über seine ganze Länge konstant ist und bei dem im Übergangsbereich, in welchem das eine Rohrstück über das andere greift, das äußere Rohrstück ein Innengewinde besitzt, während das innere-Rohrstück eingezogen ist und im Bereich der Einziehung ein Außengewinde aufweist, Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Auftragsschweißung, wel-. ehe erfindungsgemäß die Übergangsstelle der beiden Rohrstücke an der äußeren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes überdeckt, in einer bestimmten Weise im Rohrverbindungsstück zu verankern. Diese Verankerung ergibt sich in Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens durch eine ganz bestimmte Formgebung der beiden Rohrstücke im Bereich der Übergangsstelle. Heide Rohrstücke besitzen an dieser Stelle zunächet stufenförmige Abdrehungen, die beim fertigen Rohrverbindungsstück zusammen eine rechteckförmige Eindrehung bilden. Weiterhin ist der Gewindeschaft des inneren Rohrstückes etwas länger ausgeführt als derjenige des äußeren Rohrstückes, so daß sich innerhalb der beschriebenen rechteckförmigen Eindrehung ein Ringspalt ergibt. Je nach der Größe der Längendifferenz der beiden Gewindeschäfte, die maximal gleich dem Durchmesser der Hintersehneidung am Außengewinde des inneren Rohrstückes ist, entsteht ein sich an den Ringspalt anschließender zusätzlicher,Hohlraum, der gegebenenfalls ein kurzes, offenes°9tüek Gewindegang des sich auf dem äußeren Ruhrstück befindlichen Innengewindesenthält" Diese Hohlräume sind beim fertigen Rohrverbindungsstück durch die Auftragsschweißung, die beispielsweise aus Aluminium besteht, ausgefüllt. Die Auf-. tragsschweißung ist auf diese Weise fest in dem Rohrverbindungsstück verankert.
• Eine weitere Verbesserung der mechanischen Beanspruchbarkeit des erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes ergibt sich schließlich noch dadurch, daß im Übergangsbereich, in dem das eine Rohrstück über das andere greift, eine oder mehrere Bohrrungen vorgeuehen.sind, durch die Metallstifte hindurchgesteckt sind, Die-Enden dieser Metallstifte, die in der äußeren bzw, inneren Oberfläche des Rohrverbindungstückes liegen, sind auf der äußeren Oberfläche mit dem äußeren Rohrstück verschweißt und damit die Bohrungen abgedichtet Die Erfindung umfaßt sowohl Rohrverbindungsstücke, bei denen das äußere Rohrstück aus austenitischem Stahl und das innere Rohrstück aus Aluminium besteht als auch solche, bei denen das umgekehrte der Fall ist. --1e letzteren, d,h, Rohrverbindungsstücke, bei denen das Aluminiumrohrstück außen liegt, haben den bekannten Vorteil, da9_der größere Wärmeausdehnungskoeffizient des Aluminiums beim Abkühlen ein stärkeres Schrumpfen des Alumini`unrohrstückes und dArnit einen zusätzlichen Dichtungseffekt bewirkt. Ein solches Rohrverbindungsstück, das such auf der äußeren Oberfläche des Aluminiumrohrstückes verschweißte Aluminiumstifte der oben beschriebenen Art aufweinen kann, besitzt jedoch eine nicht für alle Anwendungsgebie- te ausrdohende mechanische Beanspruohbarkeit Überraschenderweise werden jedoch solche Rohrverbindungsstücke, bei denen das Stahlrohrstück außen liegt, den Anforderungen an Dichtheit und an mechanischer Beanspruchbarkeit in gleich hohem Maße gerecht, Trotz der an sich ungünsti- gen Schrumpfunterschiede der beiden.Rohrstücke bei Abkühlung sind diese Rohrverbindungsstücke auf Grund der erfindungsge- mäßen Art ihrer Verbindung vakuumdicht. Sie besitzen eine extren hohe mechanische Beanspruchbarkeit, vor allem aber dann, wenn die beiden Rohrstücke noch durch Stahlstifte der beschriebenen Art, gegen Verdrehungen gesichert sind, Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Abbildungen schematisch dargestellten AusfUhrungebeispieles beschrieben. In diesem Beispiel besteht das äußere Rohrstück aus austenitisohem Stahl und das innere Rohrstück aua Aluminium.
• Es zeigt, jeweils im Querschnitt durch die Längsachse: - Fig. 1 ein Aluminiumrohrstüak, als Teil eines erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes, Fig. 2 ein Stahlrohrstüak, als Teil eines erfin- dungsgemäßen Rohrverbindungsstückes, Fig. 3 ein aus den Rohrstüoken nach den Figuren 1 und 2 zusammengesetztes erfindungsgemäßes Roürverbindungsstück, Fig. 4 die äußere Übergangsstelle zwischen den bei- den Rohrstücken eines erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes, vor Aufbringung der Auftragssehweißung, stark vergrößert und gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 3 etwas abgewandelt.
• Das in Fig. 1 dargestellte Aluminiumrohrstück 1 besitzt eine stufenförmige Abdrehung 2, an die sich des mit einer Hintersehneidung 3 versehene Außengewinde 4- anschließt. Das Außengewinde 4 befindet sich auf einem eingezogenen Teil des Aluminiumrohrstückes 1.
• Das in Fig. 2 dargestellte Stahlrohrstück 5 aus austenitisehem Stahl besitzt eine stufenförmige Abdrehung G, welche die gleichen Dimensionen aufweist wie die Abdrehung 2 des Aluminiumrohrstückes 1. Auf seiner inneren Oberfläche be- sitzt das Stahlrohrstück 5 ein mit einer Hinterschneidung 7 versehenes Innengewinde B. Das Innengewinde 8 des Stahlrohrstückes 5 paßt zu dem Außengewinde 4 des Aluminiumrohrstückes 1. Der Gewindeschaft des Außengewindes 4 ist etwas länger als der- jenige des Innengewindes B. Die Längendifferenz der beiden Gewindeschäfte ist im dargestellten Beispiel gleich dem Durch- messer der Hinterschneidung 3.
• ' In Pig, 3 ist das erfindungsgemäße Rohrverbindfingsstück.in fertigem Zustand dargestellt. Das Aluminiumrohrstück 1 ist hierbei in das Stahlrohrstück 5 eingeschraubt, wobei sich die beiden stufenförmigen Abdrehungen 2, 6 der Figuren 1 und 2 zu einer rechteekfcirmigen Eindrehung 2, 6 ergänzen. Da der Gewindeschaft des Aluminiumrohrstückes 1 etwas länger ist als derjenige des Stahlrohrstückes 5 ergibt sich an der Übergangs.-stelle vom Aluminiumrohrstück 1 zum Stahlrohrstück 5, d.h. im Bereich der rechückförmigen Eindrehung 2,6, ein Ringspalt 9. Hierdurch besitzt das erfindungsgemäße Rohrverbindungsstück einen nach außen offenen'Hohlraum, der sich aus der Eindrehung 2, 6, dem Rirgpalt 9 und der Hinterschneidung 3 zusammensetzt.
• Dieser Hohlraum ist, wie in Fig. 3 dargestellt, erfindungsgemäß durch eine Auftragsschweißung 10 aus Aluminium als Werkstoff ausgefüllt. Auf diese Weise werden eine Verankerung der Auftragsschweißung 10 und eine stabile Verzahnung der beiden Rohrstücke 1, 5 erreicht.
• Das erfindungsgemäße Rohrverbindungsstück des Ausführungsbeispieles besitzt weiterhin (Fig. 3) zwei Stifte 11 aus austenitischem Stahl, die durch Bohrungen im Übergangsbereich zwischen dem Aluminiumrohrstück 1 und dem Stahlrohrstück 5 hindurchgesteckt sind. Sie enden auf der inneren und äußeren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes. Die Stifte 11, die mit ihren Stirnflächen in der äußeren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes liegen sind durch Schweißnähte 12 auf der Oberfläche des Rohrverbindungsstückes mit dem Stahlrohrätück 5 dicht verbunden. Das Rohrverbindungsstück wird durch die Stifte 11 gegen drehende Beanspruchungen gesichert.
• Die Figur 4 zeigt in vergrößerter Darstellung die äußere Übergangsstelle zwischen den beiden Rohrstücken bei einer Variante des erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes, und zwar vor Aufbringung der Aufträgsschweißung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Längendifferenz der Gewindeschäfte der beiden Rohrstücke 1a, 5a lediglich ein Drittel des Durchmessers der Hinterschneidung 3a. Hierdurch ragt der Gewindeschaft des Stahlrohrstückes 5a noch in die Hinterschneidung 3a hinein. Der von der folgenden Auftragsschweißung auszufüllende Hohlraum setzt sich in diesem Fall aus der rechteckförmigen Eindrehung 2a, 6a, dem Ringspalt 9a, der Hinterschneidung 3a und einem Teil des Gewindeganges des Innengewindes 8a zusammen" Die Verzahnung der beiden-Rohrstücke ia, 5a und damit die mechanische Beanspruchburkeit des erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes wird hierdurch gegenüber-dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 noch verbessert.
• Bei einer erprobten Ausführungsform des Rohrverbindungsstückes gemäß der Figur 3 besteht das Aluminiumrohrstück 1 aus dem Werkstoff AlMg3/5154 F 18 und das Stahlrohrstüek 5 aus dem Werkstoff X 10 CrNiTi 189. Bei, der Herstellung des Rohrverbindungsstückes wird zunächst das Stahlrohrstück 5 im Bereich der folgenden Auftragsschweißung 10 mit einer Spezialbeize für austenitische Stähle gebeizt und mit Tinol verzinnt. Hierauf wird das Aluminiumrohrstück 1 in das Stahlrohrstück 5 einge- schraubt und das RohrverbindungestUak im Übergangsbereich der beiden Rohrstücke 1,5 mit Bohrungen versehen. In diese Bohrun- gen werden die Stifte 11 gesteckt und das Rohrverbindungsstück hierdurch gegen Verdrehen gesichert. Abschließend werden die Auftragssahweißung 10 mit einem Lichtbogenschweißverfahren mit nichtabschmelzender Elektrode unter Verwendung von Aluminium als Zusatzwerkstoff (Werkstoff 8-A181 12) aufgebracht und die . Schweißnähte 12 ausgeführt.
• Das erfindungsgemäße Rohrverbindungsstück, an dessen Enden ein Stahlrohr bzw. ein Aluminiumrohr angeschweißt werden kann, bildet eine mechanisch zuverlässige und in einem großen Temperaturbereich vakuumdichte Rohrverbindung, Hierbei wird die Abdichtung im wesentlichen schon durch die Schraubverbindung bewirkt, während die Auftragsschweißung lediglich Spaltverlußte aufzufangen hat.
• Eine bewährte Ausführungsform des erfindungsgemäßen RohrverbindungsstUokes mit einem äußeren Durchmesser von 35 mm wurde folgenden Prüfungen unterzogen: i. DiohtheitsprUfung mit Helium, Bei einem Vakuum von 10 -5 Torr im Innenraum ergab sich keine Undichtheit. Das Rohrverbindungsstück wurde dann zehnmal in flüssigen Stickstoff getaucht(- 196 oC) und zwischendurch jeweils auf + 150 °C erhitzt. Die erneute Heliumdichtheitsprüfung.ergab ebenfalls keine Undichtheit. Hieraus ergibt sich, daß in Temperaturbereich von - 196 °C

  bis + 150 °C eine möglicherweise vorhandene Undichtheit

  unter der Nachwe:bgrenze von 5x10'-10 Torr x ltr../Sek. liegt.

  2. Torsionsversuch.

  Das Rohrverbindungsstück wurste mit einem DrehmomentschlUs-

  sel auf Torsion im Sinne eines Lüsens der Verschraubung be-

  ansprucht. Die Auftragsschweßung riS bei 210 kg x m auf.

  3. Zugversuch.

  Das Rohrverbindungsstück wurde auf Zug beansprucht. Es

  riß bei einer Höchstlast von 8760 kg im Bereich der Auf-

  tragsschweißung.

  Aus diesen-Prüfungen ergibt sich, daB das erfindungsgemäße

  Rohrverbindungsstück den gestelltem Anforderungen an- Dicht-

  heia, Temperaturschockbeständigkeit und mechanischer Festig-

  keit hervorragend entspricht. Als Bauelement stellt es auf

  vielen Gebieten der Tieftemperaturtechnik einen beachtlichen

  Fortschritt dar.

Claims (1)

1. Patentansprüche 16. ,Rohrverbindungsstück für vakuumdichte Verbindungen zwischen Rohren aus Aluminium und Rohrerz aus austenitischem Stahl, zusammengesetzt aus einem Aluminiumrohrstüek und einem aus austentischem Stahl bestehenden Stahlrohrstück, wobei das eine, äußere Rohrstück das andere, innere Rohrstück -teilweise umfaßt und mit diesem fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eine, äußere Rohrstück (5) mit dem anderen, inneren Rohrstück (1) durch die Kombination einer Schraubverbindung (4,- 8) mit einer Auftragsschweißurig (10) an der äußeren Übergangsstelle der beiden Rohrstücke (1, 5) verbunden ist»: 2. Rohrverbindungsstück nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß sei äußerer Durchmesser über seine ;ganze Länge konstant ist, wobei: im Übergangsbereich, in welchem das äußere-Rohrstück (5) über das innere Rohrstück (1) greift, das äußere Rohrstück (5) ein Innengewinde (8) besitzt und das innere Rohrstück (1) eingezogen ist Land im Bereich der Einziehung ein Außengewinde (4) aufweist. - 3m Rohrverbindungsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net" daß das äußere Rohrstück (5) an seinem über dem Gewin- deschäft des inneren Rohrstückes (1) greifenden Ende und das-innere Rohrstück (1) am hinteren Ende des Gewindeschaf- tes seines Außengewindes (4) jeweils außen stufenförmige Abdrehungen.(2, 6) aufweisen, welche zusammen eine im Quer- schnitt rechteckförmi,ge und durch die Auftragsschweißung (10) gefüllte Eindrehung, bilden. Rohrverbindungsstück nach Anspruch@3,'dadurch gekennzeich- net, daß der Gewindeschaft des inneren Rohrstückes (1) länger ist als der Gewindeschaft des äußeren Rohrstückes (5) und. der hierdurch gegebene Ringspalt, (9) durch die Auf- tragsschweißung (10) ausgefüllt ist. 5Robzrverbindungsstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich- net.. daß der Gewindeschaft des inneren Rohrstückes (1) um den Durchmesser der Hinterschneidung (3) seines Außenge- windes (4) länger ist als der Gewindeschaft des äußeren Rohrstückes (5) und die Hinterschneidung (3) durch die Auftragsschweißung (10) ausgefüllt ist, Rohrverbindungsstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindeschaft des inneren Rohrstückes (1a) um ungefähr ein Drittel des Durchmessers der Hinterschudidung (3a) seines Aussengewindes (4a) länger ist als der Gewindeschaft des äußeren Rohrstückes (5a) und die Hinterschneidung (3ä) sowie der sich im Bereich der Hinterschneldung (3a) des Außengewindes (4a) des inneren Rohrstückes (1a) befindliche Teil des Gewindeganges des Innengewindes "(8a) des äußeren Rohrstückes (5a) durch die Auftragsschweüung- ausgefüllt sind, 7®' Rohrverbindungsstück nach einem der Ansprüche 'I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daB das Material der Auftragssehweißung (10) Aluminium ist, welches mit einem Lichtbog®nschweil3verfahren mit nicht abschmelzender Elektrode und unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes aufgebracht worden ist.-B.' RohrverbndungsstUßk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daB im Übergangsbereich, in demdas äußere Rohrstück (5) über das innere Rohrstück (1) greift,-ein oder mehrere Bohrungen vorgesehen sind, durch welche: jeweils ein Metallstift (11) hindurchgesteckt ist, welcher an der äußeren und inneren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes endet. y. Rohrverbindungsstück nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß.die Metallstifte (11) .jeweils mit der äußeren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes durch eine kreisförmige Schweißnaht-(12) verschweißt sind. 10. Rohrverbindungsstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch, gekennzeichnet, daß das äußere Rohrstück (5) das aus austenitischem Stahl bestehende Stahlrohrstück und das innere Rohrstück (1) das Aluminiumrohrstück ist. 11, Rohrverbindungsstück nach den Ansprüchen $ bis 1`0, dadurch gekennzeichnet,.daß die Metallstifte (11) aus austenitischem Stahl bestehen, 1:2. Rohrverbindungsstück nach einem oder-mehreren 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet. daß das äußere Rohrstück (5)-das Aluminiumrohrstück und das innere Rohrstück (1) das aus austenitischem Stahl bestehende Stahlrohrstück ist. 13Rohrverbindungsstück nach den Ansprüchen 8, 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstifte (11) aus Aluminium bestehen:.